JP2012083025A - 炉設備の操業方法 - Google Patents

Abstract

【課題】製鉄所内の熱風炉、コークス炉、加熱炉などのような炉設備の熱効率を大幅に向上させることが可能な操業方法を提供する。
【解決手段】燃料ガスの燃焼熱を熱源に利用する炉設備において、製鉄プロセスで発生する副生ガスを燃料ガスとして用いる際に、燃焼用空気及び／又は燃料ガスを、太陽光を集光して得られた熱で予熱する。燃焼用空気や燃料ガスの予熱に太陽光を用いるので、集光量を増やすことで従来に比べて予熱温度を高めることができ、炉設備の燃料原単位を低減させ、炉設備の熱効率を大幅に高めることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、熱風炉、コークス炉、加熱炉などのような炉設備の操業方法に関するもので、詳細には、炉設備で使用する燃焼用空気や燃料ガスを適切に予熱し、炉設備の熱効率を向上させるための操業方法に関する。

ＣＯ_２排出削減に向け、製鉄所において省エネルギーのニーズが高まっている。特に、高炉用の熱風炉では製鉄所全体の１割近くのエネルギーを消費しており、省エネルギー化の重要度は高い。
熱風炉の熱効率を向上させるために、例えば、特許文献１では、燃焼排ガスの顕熱を回収して燃焼用空気や燃料ガスを予熱することにより、熱効率の向上を図っている。また、特許文献２のように、燃料ガスである高炉ガス（Ｂガス）とコークス炉ガス（Ｃガス）の混合比率と燃焼用空気量を最適化することで、高効率燃焼を実現し、熱効率の向上を図る取り組みもなされている。

特開昭６２−１７１０８号公報 特開平９−２０９０１５号公報

しかし、燃焼排ガスの顕熱により燃焼用空気や燃料ガスを予熱する方法では、燃焼用空気の温度は高々１５０℃程度にしかならないため、大幅な熱効率の向上は望めない。
また、燃料ガスであるＢガスとＣガスの混合比率は製鉄所の操業状態で制約を受けるため、必ずしも最適な比率にできないことも多く、大幅な熱効率向上につながるとは言い難い。

したがって本発明の目的は、製鉄所内の熱風炉、コークス炉、加熱炉などのような炉設備の熱効率を大幅に向上させることが可能な操業方法を提供することにある。

上記課題を解決するための本発明の要旨は以下のとおりである。
［1］燃料ガスの燃焼熱を熱源に利用する炉設備において、製鉄プロセスで発生する副生ガスを燃料ガスとして用いる際に、燃焼用空気及び／又は燃料ガスを、太陽光を集光して得られた熱で予熱することを特徴とする炉設備の操業方法。
［2］上記［1］の操業方法において、炉設備が、高炉用の熱風炉、コークス炉、鋼材加熱用の加熱炉のいずれかであることを特徴とする炉設備の操業方法。
［3］上記［1］又は［2］の操業方法において、集光した太陽光の熱で燃焼用空気及び／又は燃料ガスを直接予熱することを特徴とする炉設備の操業方法。
［4］上記［1］又は［2］の操業方法において、集光した太陽光の熱で熱媒体を加熱し、該熱媒体との熱交換により燃焼用空気及び／又は燃料ガスを予熱することを特徴とする炉設備の操業方法。

［5］上記［1］〜［4］のいずれかの操業方法において、太陽光を集光装置により配管に集光することで、該配管内を通る燃焼用空気及び／又は燃料ガス若しくは熱媒体を加熱することを特徴とする炉設備の操業方法。
［6］上記［1］〜［4］のいずれかの操業方法において、太陽光を集光装置によりタンクに集光することで、該タンク内の燃焼用空気及び／又は燃料ガス若しくは熱媒体を加熱することを特徴とする炉設備の操業方法。
［7］上記［1］〜［6］のいずれかの操業方法において、燃焼用空気及び／又は燃料ガスを、太陽光を集光して得られた熱で予熱する前又は後に、炉設備の燃焼排ガスの顕熱により予熱することを特徴とする炉設備の操業方法。

本発明によれば、炉設備の燃焼用空気や燃料ガスの予熱に太陽光を用いるので、集光量を増やすことにより、従来に比べて予熱温度を高めることができる。このため炉設備の燃料原単位を低減し、炉設備の熱効率を大幅に高めることができる。さらに、太陽光は自然エネルギーであるため、ランニングコストが非常に小さくて済むという効果もある。

本発明の炉設備の操業方法の一実施形態を示す説明図 本発明の炉設備の操業方法の他の実施形態を示す説明図 本発明における太陽熱による燃焼用空気などの予熱方法及び設備の一実施形態を示す説明図 本発明における太陽熱による燃焼用空気などの予熱方法及び設備の他の実施形態を示す説明図 本発明の炉設備の操業方法の他の実施形態を示す説明図 従来技術による燃焼用空気などの予熱方法の代表例を示す説明図

本発明が対象とする炉設備は、製鉄プロセスで発生する副生ガスを燃料ガスとし、この燃料ガスの燃焼熱を熱源に利用する炉設備である。このような炉設備としては、例えば、製鉄所における高炉用の熱風炉、コークス炉、鋼材加熱用の加熱炉などが挙げられるが、これらに限定されるものではない。
また、炉設備において燃料ガスとして用いられる製鉄プロセスで発生する副生ガスとしては、コークス炉ガス、高炉ガス、転炉ガスなどが挙げられ、これらのいずれか又は２種以上の混合ガスが燃料ガスとして用いられる。

図６は、従来技術に関するもので、上記のような炉設備に使用する燃焼用空気や燃料ガスの予熱方法の代表例を示している。この炉設備は、炉１に供給される燃焼用空気や燃料ガスを予熱するための予熱器９を有している。この予熱器９には、炉１で生じた燃焼排ガスが供給され、この燃焼排ガスとの熱交換により燃焼用空気や燃料ガスが予熱される。この予熱により、燃焼温度を上げて目標温度への到達時間を短縮し、燃料使用量を削減することにより、省エネを図るものである。

このような従来法に対して、本発明法では、炉設備で使用する燃焼用空気及び／又は燃料ガスを、太陽光を集光して得られた熱で予熱するものである。このような予熱は、従来法と同様の燃焼排ガスによる予熱を併用してもよい。
本発明では、太陽光を集めるのに集光装置（集光板）を用いるが、熱風炉、コークス炉、加熱炉などのような製鉄プロセスの炉設備を対象とする場合、一般に製鉄所は広大な敷地を有していることが多いため、大量の太陽光を集めるのに必要な大面積の集光板を設置しやすいという利点がある。すなわち、本発明は製鉄所のスペースを有効利用する形で実施することができる。

図１は、本発明の炉設備の操業方法の一実施形態を示すものである。
この実施形態では、燃焼用空気と燃料ガスをそれぞれ炉１に供給する流路２a，２bの途中に、太陽熱を熱源とする予熱器３xと、炉の燃焼排ガスを熱源とする予熱器５が設けられている。太陽光が集光装置４（集光板）で集光され、その熱（太陽熱）が予熱器３xに供給され、また、炉１の燃焼排ガスが予熱器５に供給される。なお、流路２a，２bに設けられる予熱器は、上流側から予熱器５（炉の燃焼排ガスを熱源とする予熱器）、予熱器３x（太陽熱を熱源とする予熱器）の順で設けてもよい。
流路２a，２bにより炉１に供給される燃焼用空気と燃料ガスは、予熱器３xにおいて太陽熱で予熱され、さらに予熱器５において燃焼排ガスの顕熱で予熱された後、炉１に送られ、燃焼のために用いられる。本実施形態では、従来法と同様の燃焼排ガスの顕熱による予熱に加え、太陽熱による予熱がなされるので、燃焼用空気と燃料ガスを高温に予熱することができる。なお、予熱は燃焼用空気と燃料ガスのうちのいずれか一方のみを対象としてもよい。

図２は、本発明の炉設備の操業方法の他の実施形態を示すものである。
この実施形態では、燃焼用空気と燃料ガスをそれぞれ炉１に供給する流路２a，２bの途中に、太陽熱を熱源とする予熱器３xのみが設けられている。太陽光が集光装置４（集光板）で集光され、その熱（太陽熱）が予熱器３xに供給される。この場合、炉１の燃焼排ガスの排熱は捨ててしまうことになるが、太陽光の集光が十分であれば従来法以上の高温予熱が可能である。燃焼排ガスの排熱回収を行わないことにより、（i）燃焼排ガス用の予熱器（熱交換器）が不要となる、（ii）排熱回収に伴う圧力損失が抑制される、などの利点がある。
流路２a，２bにより炉１に供給される燃焼用空気と燃料ガスは、予熱器３xにおいて太陽熱で予熱された後、炉１に送られ、燃焼のために用いられる。なお、予熱は燃焼用空気と燃料ガスのうちのいずれか一方のみを対象としてもよい。

図３は、本発明における太陽熱による燃焼用空気などの予熱方法及び設備の一実施形態を示すもので、いわゆるトラフ式の集光装置４を用いたものである。すなわち、集光装置４はトラフ状の反射鏡４０を備え、この反射鏡前面の光の焦点部に、燃焼用空気や燃料ガスが通る配管３０が配され、この配管３０が予熱器３xを構成している。太陽光は反射鏡４０により配管３０（予熱器３x）に集光され、その熱で内部の燃焼用空気や燃料ガスが予熱される。

反射鏡４０としては、例えば、特殊ガラスに銀メッキを施したもの、鋼板などの金属板に耐候性高反射アルミや反射フィルムを貼り付けたもの、鋼板などの金属板に特殊表面処理を施したもの、などを用いることができるが、波長４００ｎｍ〜２３００ｎｍ程度の広範囲で０．９５以上の反射率を有するものが特に望ましい。反射鏡４０の傾角は、その反射面が常に太陽に対向するように制御される。配管３０は通常の鋼管でもよいが、集熱効率を上げるためには、内管を鋼製、外管をガラス製の２重管構造とし、内管と外管の間を真空にした構造のものなどが好ましい。

図４は、本発明における太陽熱による燃焼用空気などの予熱方法及び設備の他の実施形態を示すもので、集光装置４は複数の平板状の反射鏡４１（ヘリオスタット）を備え、これら反射鏡４１の集光先には燃焼用空気や燃料ガスが蓄えられるタンク３１が設けられ、このタンク３１が予熱器３xを構成している。太陽光は反射鏡４１によりタンク３１（予熱器３x）に集光され、その熱で内部の燃焼用空気や燃料ガスが予熱される。なお、タンク３１に対しては、配管を通じて燃焼用空気や燃料ガスが導入・排出される。
集光装置４を構成する反射鏡４１は、太陽を追尾するように傾角制御される。また、反射鏡４１の好ましい構成は、図３の実施形態と同様である。

図５は、本発明の炉設備の操業方法の他の実施形態を示すものである。
この実施形態では、太陽熱で熱媒体を加熱し、この熱媒体との熱交換により燃焼用空気や燃料ガスを予熱するものである。
燃焼用空気と燃料ガスをそれぞれ炉１に供給する流路２a，２bの途中に、熱媒体との熱交換で燃焼用空気と燃料ガスを予熱する予熱器３yが設けられている。この予熱器３yを通過する熱媒体の循環流路６が設けられ、その途中に加熱器７が設けられている。太陽光が集光装置４（集光板）で集光され、その熱（太陽熱）が加熱器７に供給される。循環流路６を循環する熱媒体は、加熱器７において太陽熱で加熱された後、予熱器３yにおいて熱交換により燃焼用空気と燃料ガスを予熱する。予熱された燃焼用空気と燃料ガスは炉１に送られ、燃焼のために用いられる。なお、予熱は燃焼用空気と燃料ガスのうちのいずれか一方のみを対象としてもよい。

この実施形態は、太陽熱で熱媒体を加熱し、この熱媒体との熱交換により燃焼用空気や燃料ガスを予熱するものであり、適切な熱媒体（例えば、溶融塩など）を用いれば、熱媒体は太陽熱により５００℃以上の温度に昇温されるので、燃焼用空気や燃料ガスをより高い温度に予熱することができる。
また、循環流路６の途中に断熱性がある貯留タンク８を設け、この貯留タンク８に熱媒体を蓄えておけば、太陽熱を蓄熱することができ、太陽光を集光できない時間帯でも燃焼用空気や燃料ガスの予熱が可能となる。

熱媒体としては、蓄熱などが可能な溶融塩が好ましい。溶融塩としては、例えば、炭酸塩、硝酸塩などの１種以上を用いることができる。なお、この熱媒体への蓄熱にヒートポンプ（特にケミカルヒートポンプ）を組み合わせることで、さらなる昇温や蓄熱も可能である。
図５の実施形態において、太陽熱で熱媒体を加熱するには、例えば、図３の配管３０が加熱器７を構成するようにし、太陽光が反射鏡４０により配管３０（予熱器７）に集光され、内部の熱媒体が予熱されるようにする。或いは、図４のタンク３１が加熱器７を構成するようにし、太陽光が反射鏡４１によりタンク３１（予熱器７）に集光され、内部の熱媒体が予熱されるようにする。

炉設備が高炉用の熱風炉である場合を想定し、従来法により図６に示すような実施形態で燃焼用空気を１５０℃に予熱した場合（燃料ガスは予熱しない）と、本発明法により図１に示すような実施形態で、燃焼用空気をそれぞれ２００℃と２５０℃に予熱した場合（燃料ガスは予熱しない）について、燃料ガス使用量と燃費向上率を求めた結果を表１に示す。なお、高炉への送風条件は、送風温度：１１４５℃、送風量：７３５０Ｎｍ^３／分で一定とした。
表１によれば、従来法に対して本発明法では燃料ガス使用量が削減され、大幅な燃費向上が達成できることが判る。

１ 炉
２a，２b 流路
３x，３y 予熱器
４ 集光装置
５ 予熱器
６ 循環流路
７ 加熱器
８ 貯留タンク
３０ 配管
３１ タンク
４０，４１ 反射鏡

Claims (7)

1. 燃料ガスの燃焼熱を熱源に利用する炉設備において、製鉄プロセスで発生する副生ガスを燃料ガスとして用いる際に、燃焼用空気及び／又は燃料ガスを、太陽光を集光して得られた熱で予熱することを特徴とする炉設備の操業方法。
2. 炉設備が、高炉用の熱風炉、コークス炉、鋼材加熱用の加熱炉のいずれかであることを特徴とする請求項１に記載の炉設備の操業方法。
3. 集光した太陽光の熱で燃焼用空気及び／又は燃料ガスを直接予熱することを特徴とする請求項１又は２に記載の炉設備の操業方法。
4. 集光した太陽光の熱で熱媒体を加熱し、該熱媒体との熱交換により燃焼用空気及び／又は燃料ガスを予熱することを特徴とする請求項１又は２に記載の炉設備の操業方法。
5. 太陽光を集光装置により配管に集光することで、該配管内を通る燃焼用空気及び／又は燃料ガス若しくは熱媒体を加熱することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の炉設備の操業方法。
6. 太陽光を集光装置によりタンクに集光することで、該タンク内の燃焼用空気及び／又は燃料ガス若しくは熱媒体を加熱することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の炉設備の操業方法。
7. 燃焼用空気及び／又は燃料ガスを、太陽光を集光して得られた熱で予熱する前又は後に、炉設備の燃焼排ガスの顕熱により予熱することを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の炉設備の操業方法。

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